新給體-受體型共軛聚合物的設(shè)計(jì)、合成及光伏性能的研究.pdf

1、共軛聚合物是聚合物太陽(yáng)能電池(PSCs)中的關(guān)鍵材料，設(shè)計(jì)與合成高性能的共軛聚合物(CPs)是提升PSCs光伏性能的重要手段。而不斷探索具有新化學(xué)結(jié)構(gòu)的CPs，從而積累和探索適用于活性層CPs化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)則，這為不斷提升PSCs的光伏性能提供了可能性。本論文主要圍繞新給體(D)-受體(A)型共軛聚合物材料的設(shè)計(jì)、合成以及光電性能的研究工作。其新型A構(gòu)筑單元主要圍繞異靛藍(lán)及其衍生物，新型D構(gòu)筑單元主要圍繞萘并二呋喃化合物。主要內(nèi)容如下

2、:
　　1.設(shè)計(jì)合成了Ⅳ-?；惖逅{(lán)單元，并將其作為強(qiáng)受體單元合成了一系列具有N-?；湹腄-A型異靛藍(lán)基聚合物。聚合物在可見(jiàn)光及近紅外范圍內(nèi)具有寬吸收(450～900nm)。由于N-酰基團(tuán)具有缺電子性質(zhì)，共軛主鏈上的N-?；鶊F(tuán)推動(dòng)了聚合物的光學(xué)吸收顯著紅移(＞60 nm)，降低了聚合物光學(xué)能帶隙(1.31～1.38 eV)和HOMO能級(jí)，尤其是顯著降低了聚合物的LUMO能級(jí)，使其降低于-4.10 eV（相對(duì)于具有相似共軛骨架的Ⅳ

3、-烷基異靛藍(lán)基聚合物）。聚合物具有在活性層替代富勒烯作為受體材料的應(yīng)用潛力。
　　2.設(shè)計(jì)合成了異靛藍(lán)衍生物IBTI，避免了異靛藍(lán)化學(xué)結(jié)構(gòu)中的空間位阻現(xiàn)象，IBTI拓寬了π共軛長(zhǎng)度，增強(qiáng)了分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移，使得IBTI的光吸收峰出現(xiàn)明顯的紅移，而且在峰值處出現(xiàn)了較高的摩爾消光系數(shù)。并以IBTI為受單體共聚得到了聚合物PBDT-IBTI和PBDTT-IBTI。理論計(jì)算表明PBDT-IBTI存在分布均勻HOMO軌道，這有利于載流子的傳輸

4、。兩個(gè)CPs均呈現(xiàn)出了在波長(zhǎng)470～700 nm范圍內(nèi)的強(qiáng)吸收，均具有適用PSCs的光學(xué)能帶隙和能級(jí)?；赑BDTT-IBTI的PSC器件，經(jīng)過(guò)性能優(yōu)化后太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率(PCE)達(dá)到3.94％;而基于PBDTT-IBTI的PSC在活性層為PBDTT-IBTI/PC61BM（質(zhì)量比例為1∶2，加入2％1，8-二碘辛烷），PCE高達(dá)6.41％。說(shuō)明應(yīng)用于PSCs的D-A型CPs中IBTI作為A構(gòu)筑單元具有較好的應(yīng)用前景，還說(shuō)明以吲哚酮為基本

5、單元可以合成出多種異靛藍(lán)衍生物用于構(gòu)筑D-A型CPs。
　　3.設(shè)計(jì)合成了兩個(gè)角型萘并二呋喃(NDFs)異構(gòu)體，并將其作為D單元與異靛藍(lán)作為A單元共聚得到了兩個(gè)NDFs基聚合物PIDNDF1和PIDNDF2。研究了NDFs的不同構(gòu)型對(duì)CPs性能的影響。在溶液狀態(tài)下PIDNDF1比PIDNDF2存在更高的摩爾消光系數(shù)，而且PIDNDF1比PIDNDF2在溶液或固態(tài)下的紫外-可見(jiàn)光吸收均發(fā)生紅移。理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)PIDNDF2中的D構(gòu)筑單

6、元與A構(gòu)筑單元之間的二面角達(dá)到26.89°，是PIDNDF1二面角的近兩倍。NDFs的分子構(gòu)型對(duì)聚合物的HOMO能級(jí)影響很小，均具有較低的HOMO能級(jí)。基于PIDNDF1與PIDNDF2的PSCs器件均取得較高的開(kāi)路電壓。基于PIDNDF1的PSC的PCE達(dá)到1.83％，是基于PIDNDF2器件效率的近兩倍。兩個(gè)聚合物之間的性能差異很有可能是由于聚合物共軛骨架中NDFs的不同構(gòu)型所致。4.設(shè)計(jì)合成了將助溶基團(tuán)轉(zhuǎn)移至NDFs中間位置的具有

7、二維共軛結(jié)構(gòu)的角型萘并二呋喃單體NDFT，有效地避免了在上一章中高分子共軛骨架結(jié)構(gòu)單元之間的空間位阻現(xiàn)象。并將其作為D單體與具有代表性的A單體共聚得到了一系列NDFT基聚合物。不同受體構(gòu)筑單元對(duì)CPs的光吸收性能和LUMO能級(jí)影響很大，該系列CPs的光學(xué)能帶隙在1.32～2.10 eV之間。CPs均具有較低的HOMO能級(jí)。理論計(jì)算表明PNDFT-DPP、PNDFT-DPP共軛骨架中結(jié)構(gòu)單元之間的二面角均小于1°，說(shuō)明NDFT單體能有效避